Влияние интенсивной эксплуатации подземных вод на оседание земной поверхности

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние интенсивной эксплуатации подземных вод на оседание земной поверхности

27.07.2020

Интенсивное развитие градостроительства во всем мире резко изменяет гидрогеологические условия на больших площадях. Несмотря на это, работ, посвященных режиму подземных вод на застраиваемых территориях, немного. Исключением является проблема оседания земной поверхности под влиянием интенсивной эксплуатации подземных вод. Этой проблеме посвящено большое число работ и она освещена всесторонне.

Следует заметить, что оседание земной поверхности отмечается не только в районах интенсивного отбора подземных вод, но и в районах эксплуатации нефти и газа. Например, крупные просадки (до 9 м) отмечены в Калифорнии на разрабатываемых месторождениях нефти и газа.

Одной из форм отчетливого влияния изменений гидрогеологических условий на окружающую среду, хорошо исследованного за рубежом, является проседание поверхности земли в районах интенсивной эксплуатации подземных вод, вызванное изменением состояния как водовмещающих, так и водоупорных пород. Длительные и интенсивные откачки подземных вод в районах действующих водозаборов приводят к снятию взвешивающего гидростатического давления воды, а следовательно, как бы и к увеличению сил тяжести и возрастанию эффективной нагрузки слоев, что вызывает уплотнение рыхлых пород и оседание земной поверхности. Например, при понижении уровня от 10 до 100 м давление на пласт может возрасти примерно в 10 раз, что приведет к сжатию скелета пласта за счет уменьшения объема его пор.

Размеры оседания пород, как показали исследования в Японии и США, зависят от степени сжимаемости пород и величины водопонижения. Наибольшие осадки дают глинистые, суглинистые и сапропелевые породы, особенно когда эти отложения молодые по возрасту, рыхлые, гидрофильные и водонасыщенные. Переслаивание таких пород с песчаными и гравийно-галечниковыми отложениями, которые мало сжимаются, но способствуют быстрому дренированию воды из толщи при эксплуатации, ускоряет процесс оседания. Скальные породы практически несжимаемы и осадок не дают. Интенсивность процесса оседания земной поверхности зависит от активности водоотбора и гидрогеологических условий (степени дренированности водовмещающих и разделяющих слоев, состава и мощности сжимаемых толщ, разности напорных градиентов и т, д.). В результате размеры оседания и интенсивность просадок, как показывают наблюдения, в отдельных районах весьма различны. Особенно интенсивны просадки в районах с избыточным пластовым (в коллекторах) и поровым (в разделяющих слабопроницаемых слоях) давлением. При этом наибольшую роль играют перекрывающие глинистые слои, сжимаемость которых часто на порядок и более выше, чем водовмещающих пород. В мировой практике известно много случаев оседании земной поверхности под влиянием водоотбора, достигающих иногда катастрофических размеров.

За последние годы появилось большое число публикаций с подробным освещением вопросов оседания поверхности земли и наблюдавшихся при этом явлений. Так, Нобуа Курата описывает это явление в городах Японии (Осака, Ниигата).

Город Осака расположен на юге о-ва Хонсю, на берегу одноименного залива. Оседание поверхности земли в промышленных приморских районах города отмечается уже более 50 лет. Для изучения процесса оседания в различных частях города еще в 1935 г. было установлено 200 реперов, отмечающих положение поверхности земли и уровня напорных вод. В результате наблюдений была выявлена разная интенсивность процесса оседания в отдельных частях города и ее изменчивость во времени. К 1958 г. на территории города извлекалось в сутки до 325 тыс. м3 воды. Отбор подземных вод вызвал опускание поверхности земли, причем максимальное опускание отмечалось в районах наиболее интенсивной эксплуатации подземных вод.

Подземные воды в г. Осаке отбирают из древнечетвертичных отложений в долине р. Иодо-Гава с глубины 95—105 м. Толща четвертичных отложений представлена чередующимися слоями гравелистых песков и гравия мощностью от 6 до 16 м и глин мощностью от нескольких до 30 м. В толще четвертичных отложений встречены напорные воды, имеющие единый пьезометрический уровень.

В довоенное время (1937—1940 гг.) в связи с увеличением водоотбора наблюдалось сильное снижение напора в водоносном горизонте и сопутствующее ему оседание поверхности, достигшее 20 см в год. В период же второй мировой войны и некоторое время после ее окончания, когда в Осаке значительно снизилось промышленное производство, в связи с этим уменьшилась откачка воды и повысились пьезометрические уровни, опускание почвы прекратилось (рис. 16), а в некоторых местах наметился даже подъем.
Влияние интенсивной эксплуатации подземных вод на оседание земной поверхности

После окончания войны с усилением эксплуатации подземных вод и снижением напоров в водоносном горизонте интенсивность просадок снова начала возрастать.

Оседание поверхности вызывает опасность наводнений вследствие обычных приливов в районе космического центра США в Хьюстоне (штат Техас), расположенного на отметках около 5,2 м, так как один раз в 10 лет высота приливов достигает здесь 6,1 м. Откачка подземных вод ведется в этом районе с конца прошлого века и достигает сейчас 23 м3/с. Снижение напоров в скважинах с 1943 г. составило 61—99 м, что привело к оседанию земной поверхности за это время на 2,3 м. Площадь с осадкой больше 0,3 м увеличилась с 906 (в 1954 г.) до 6475 км2 (в 1973 г.). На данной площади имеется несколько центров оседания, вызванных как эксплуатацией подземных вод, так н добычей нефти. Особую опасность представляют для данного района наводнения, вызываемые довольно частыми в этом регионе ураганами.

В результате эксплуатации подземных вод вблизи г. Илой (штат Аризона) для целей орошения с 1948 по 1967 г. произошло снижение уровней подземных вод до 110 м, что вызвало понижение земной поверхности на 2,29 м. Неравномерное оседание вызвало нарушение ложа водохранилища, водораспределительных систем и других инженерных сооружений. Трещины в поверхности земли, достигающие длины 13,8 км, пересекают естественную гидрографическую сеть и действуют как дрены. Движение поверхностных вод по ним приводит к их расширению и образованию новых трещин.

В прибрежных районах (Япония, Италия, Венесуэла, Тайвань) в результате оседания затапливаются пониженные участки земли, подтапливаются города, разрушаются здания и сооружения. Неравномерная осадка приводит к нарушению подземных коммуникаций, железных дорог, к перекосу и разрушению зданий, мостов и других сооружений. Скорость оседания земной поверхности в некоторых частях Токио достигает 10 см/год, временами увеличиваясь до 20 см/год при водоотборе около 700 тыс. м3/сут. За 50 лет эксплуатации в отдельных пунктах произошло оседание поверхности до 3,34 м. На некоторых участках скорость оседания достигает рекордных размеров: в Осаке 2,2 м/год, в Ниигате — 50 см/год, в Мехико 30 см/год, в Лонг-Бич (Лос-Анджелес) 75 ем/год. Оседания земной поверхности отмечаются в Великобритании, Италии, Нидерландах. В Мехико величина погружения за 28 лет интенсивной эксплуатации подземных вод достигла в отдельных местах 7 м.

Отмечено, что увеличению темпов просадки способствуют землетрясения. Так, во время землетрясения 16 июня 1964 г. в Ниигате произошло значительное оседание земной поверхности. Происшедшее в результате этого уплотнение водовмещающих пластов привело к временному увеличению напора до 15 м и дебитов артезианских скважин, производительность которых через несколько месяцев вновь снизилась.

Исследованиями в Техасе установлена тесная зависимость объема оседания от объема извлеченных подземных вод. Объем оседания составил около 22 % от объема откачанной из глинистых пород воды. Наблюдения за этим явлением показали, что при увеличении водоотбора темпы понижения поверхности увеличиваются и, наоборот, при уменьшении водоотбора снижение замедляется. Таким образом, до тех пор пока упругие деформации не перешли в пластические, данный процесс обратим. Например, в долине р. Сан-Хоакин (Калифорния) эксплуатация подземных вод и добыча нефти привели к снижению поверхности Земли на 8,8 м при скорости снижения до 0,5 м/год. Восстановление пьезометрических уровней до их прежнего положения в 1976 г. привело к прекращению оседания.

Поэтому во многих странах рассматриваются различные мероприятия по предотвращению дальнейшего опускания земной поверхности путем сокращения водоотбора, искусственного восполнения запасов подземных вод, нагнетания сжатого воздуха в водоносные горизонты для поддержания давления в них и т. д.

Капиталистическая система природопользования затрудняет борьбу с данным явлением. Так, введенный в Японии в 1970—1973 гг. региональный контроль за водоотбором для водоснабжения и при разработке полезных ископаемых не был достаточноэффективным, Несмотря на значительные средства, затрачиваемые Японией на мелиорацию опускающихся земель, убытки, вызываемые просадками, остаются высокими и поэтому обсуждаются дальнейшие более жесткие меры по предотвращению просадок путем полного прекращения подземного водоотбора в одних районах, резкого его ограничения в других и искусственного восполнения запасов подземных вод. Разрабатываются методы прогнозов возможных осадок, основанные на численном решении дифференциальных уравнений плановой неустановившейся фильтрации и уравнений деформаций поверхности глинистых грунтов, рассматриваются одномерные модели просадок.

Как показали эпигнозные расчеты, процесс просадок прогнозируется, Это позволило американским ученым составить такие прогнозы до 2000 г и обосновать необходимые меры по поддержанию пластовых давлений для предупреждения или стабилизации данного процесса. На основании данных расчетов, в Японии составлены карты возможного развития просадок земной поверхности.

О важности вопросов, связанных с оседанием поверхности земли, свидетельствует тот факт, что их рассмотрению было посвящено уже два международных симпозиума (в Токио в 1969 г, и Калифорнии в 1976 г.).

Следует заметить, что ЮНЕСКО обратила внимание на вопросы оседания земной поверхности п создала специальную рабочую группу, в которую вошли известнейшие специалисты: С. Ямамота (Япония), И. Поланд (США), Ж. Фигуероа-Вега (Мексика). Ими подготовлена монография, в которой рассматриваются: типы оседания земной поверхности, результаты полевых наблюдений, механизм оседания, описание отдельных районов, меры по контролю за оседанием, методы прогноза оседания. Надо полагать, что этот труд всесторонне осветит всю проблему.

Как видно из приведенного выше обзора, изучение режима подземных вод во многих странах превратилось за последние годы в одну из важнейших отраслей гидрогеологии. Об этом свидетельствует не только неуклонное увеличение плотности наблюдательной сети как в развитых, так и развивающихся странах, но и увеличение числа практических задач, решаемых на основе данных о режиме подземных вод. Так, если два-три десятилетия тому назад основной задачей изучения режима подземных вод во многих странах являлось познание закономерностей их формирования и оценка влияния отбора подземных вод и мелиорации земель на изменения гидрогеологических условий, то в настоящее время круг таких задач значительно расширился. Изучение режима подземных вод в развитых странах все чаще применяется для построения моделей управления и оптимизации использования ресурсов подземных вод, прогнозов возможных изменений количества и качества подземных вод под влиянием различной хозяйственной деятельности человека, оценок возможных последствий, вызванных изменениями гидрогеологической обстановки, на окружающую среду. Внимание исследователей в данной области направлено на изучение следующих проблем:

— создание разветвленной долговременной опорной наблюдательной сети, сравнительно равномерно охватывающей как разные гидрогеологические районы, так и многие сферы хозяйственного воздействия человека на подземные воды и позволяющей обеспечить построение моделей различной детальности;

— разработку и усовершенствование систем сбора и обобщения обширного материала различных наблюдений с применением высокоточных приборов для регистрации изменений в уровнях, расходах, температурах и составе подземных вод, систем оперативного и часто автоматического сбора информации в центрах управления, различных дистанционных методов исследований;

— разработку и усовершенствование методов оценки гидрогеологических параметров и изучение роли гидравлических границ водоносных горизонтов (и систем) в естественных нарушенных условиях на основе анализа данных о режиме подземных вод в естественных и нарушенных условиях;

— детальное изучение влияния искусственных изменений гидрогеологических условий на окружающую среду (подпор и подтопление территорий, переосушение, засоление и заболачивание сельскохозяйственных земель и лесных массивов, просадки земной поверхности, активизация карстово-суффозионных процессов, изменения качества подземных вод и т. д.);

— совместное комплексное изучение ресурсов поверхностных и подземных вод, их взаимодействие и взаимное пополнение в различные сезоны года и в многолетнем аспекте, изучение временных закономерностей изменчивости общих водных ресурсов в пределах замкнутых водосборных бассейнов; учет этих закономерностей при планировании их использования, включая территориальное перераспределение водных ресурсов между отдельными бассейнами я экономическую оценку целесообразности применения того или иного варианта использования водных ресурсов;

— разработку методов прогнозирования режима, баланса и ресурсов подземных вод в естественных и нарушенных условиях для обоснования путей рационального использования подземных вод или борьбы с их вредными воздействиями, особенно в зонах влияния рек и водохранилищ, городских территорий, горных выработок, орошаемых и осушаемых земель, водозаборных сооружений на морских побережьях и др.

Исследования в области режима подземных вод в бывш. СССР развиваются в целом в тех же направлениях. В нашей стране сравнительно большее внимание уделяется изучению условий формирования режима и баланса подземных вод, выявлению региональных и локальных закономерностей режима подземных вод как основы для его прогнозов и картирования. Вместе с тем, ознакомление с зарубежным опытом, особенно в части автоматизации сбора, накопления и обработки данных, комплексного освоения и управления ресурсами поверхностных и подземных вод, полезно b для советских специалистов.

Зарубежный опыт указывает также на необходимость более детального изучения не только разных элементов режима подземных вод, но и различных экологических последствий, вызываемых нарушением гидрогеологической обстановки (просадок земной поверхности, ущерба речному стоку, растительности, изменений инженерно-геологических условий и т. д.).

Как видно из приведенного выше обзора, освещенность состояния изучения режима подземных вод в различных странах далеко не одинакова, что отражает, с одной стороны, разную степень изученности и разработанности рассматриваемой проблемы в отдельных странах, а с другой, — неравномерность отражения данных вопросов в доступных для советского читателя публикациях. Несмотря на значительное расширение задач изучения режима подземных вод в опубликованной литературе редко встречаются разработки, касающиеся принципов размещения наблюдательной сети гидрогеологических пунктов в зависимости от целевой задачи. Сравнительно мало работ посвящено изучению режима температуры и химического состава подземных вод.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: